منشأ و آینده مواد فیبر کربن

در سال ۱۸۶۰، جوزف سوان نمونه اولیه لامپ‌های رشته‌ای، لامپ سیم کربنی نیمه خلاء را اختراع کرد. برای روشن کردن شب تاریک، به عنوان بدنه درخشان چراغ الکتریکی، از فیبر کربن استفاده شد.

فیبر کربن اولیه قابل توجه نبود، از الیاف طبیعی ساخته شده بود و استحکام ساختاری کمی داشت، کیفیت رشته‌های ساخته شده از آن ضعیف بود، به راحتی در حین استفاده می‌شکست و دوام آن به هیچ وجه ایده‌آل نبود و به سرعت با رشته‌های تنگستن جایگزین شد. در نتیجه، تحقیقات فیبر کربن وارد یک دوره رکود شده است.

در دهه ۱۹۵۰، تقاضا برای مواد مقاوم در برابر خوردگی، مقاومت در برابر دماهای بالا و استحکام بالا در بخش هوافضا افزایش یافت و مردم دوباره به کاربیدها روی آوردند. پس از یک سری مطالعات، سرانجام ماده‌ای با نقطه ذوب ۳۶۰۰ درجه سانتیگراد کشف شد و رسماً "فیبر کربن" نامگذاری شد.

بهترین خواص فیبر کربن عبارتند از سبکی، استحکام بالا، استحکام ویژه بالا و مدول ویژه، چگالی آن کمتر از 1/4 فولاد، استحکام کششی حدود 10 برابر آهن و مدول الاستیک کششی حدود 7 برابر آهن. علاوه بر این، فیبر کربن دارای ویژگی‌های عالی متنوعی مانند عدم خستگی، عدم زنگ‌زدگی، پایداری شیمیایی و پایداری حرارتی خوب است.

در زمینه موتورهای هوایی، فیبر کربن عمدتاً با رزین، فلز، سرامیک و سایر زیرلایه‌ها به شکل پایه تقویت‌شده ترکیب می‌شود و این ترکیب کامپوزیت‌های تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) نامیده می‌شود که از نظر کاهش وزن و راندمان، کاهش سر و صدا و انتشار گازهای گلخانه‌ای، بهبود استحکام مواد و صرفه‌جویی در مصرف سوخت به خوبی عمل می‌کند.
کامپوزیت‌ها همچنین به تدریج در اجزای دمای بالای موتورهای هوایی، مانند کاتتر شیر سرریز متغیر (VBV) GEnx، ساخته شده از آمید مالئیک مضاعف (BMI) تقویت شده با فیبر کربن، با وزن تنها 3.6 کیلوگرم در هر کاتتر، مورد استفاده قرار می‌گیرند. نازل جریان مختلط (MFN) در موتور روسی SaM146 نیز از قطعات BMI تقویت شده با فیبر کربن استفاده می‌کند که حدود 20 کیلوگرم از فلز سبک‌تر هستند.

در آینده، با افزایش بیشتر استحکام و چقرمگی کامپوزیت‌های الیاف کربن، کاربرد کامپوزیت‌های الیاف کربن در موتورهای هوایی رواج خواهد یافت: افزایش CFRTP تشکیل پلاستیک انقباض حرارتی با فرآیند، افزایش فرآیند کربن برای تشکیل کامپوزیت‌های کربن/کربن CFRC، افزایش تشکیل فلز CFRM، افزایش تشکیل لاستیک با فرآیند CFRR ...... در هر دو صورت، کامپوزیت‌های الیاف کربن ماده‌ای ضروری برای موتورهای هوایی با عملکرد بالای آینده خواهند بود.